книги из ГПНТБ / Мирцхулава, Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений

Li-E-Ml/lPU ХУЛ A B A

A KA D EM H K ВАСХНИЛ

НАДЕЖНОСТЬ

ГИПРОМЕЛИОРАТИВНЫХ

СООРУЖЕНИИ

М ОСКВА • КОЛОС-1974

«аучн*-твхиич«*нм

•ЗиЛлиатена. ССОР ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

мелиорации, приведены краткие сведения по теории вероятностей и матема­ тической статистике, необходимые для понимания изложенных в работе мето­ дов расчета. Рассмотрены виды аварий, повреждений, неисправностей гидро­ мелиоративных и водохозяйственных объектов, приведены некоторые их при­ меры. Предложены приближенные методы оценки надежности оснований, сло­ женных из несвязных и связных грунтов, на размыв, на фильтрационные де­ формации, а также методы оценки надежности работы облицовок и сопря­ гающих сооружений и т. д.

С позиции теории вероятностей и теории надежности приведены примеры решения некоторых задач, связанных с проектированием объектов гидромелио­ рации. Изложены некоторые общие рекомендации по повышению надежности гидромелиоративных сооружений.

Рассчитана на инженерно-технических работников, занятых проектирова­ нием, строительством, эксплуатацией и исследованием объектов гидромелиора­ ции, а также может быть использованастудентами и аспирантами высших учебных заведений.

ВВЕДЕНИЕ

Большие средства, выделяемые государством на мелиорацию земель, могут быть использованы рационально, с максимальной эф­ фективностью при условии строительства технически совершенных оросительных и осушительных систем необходимого качества и на­ дежности и организации их правильной эксплуатации. Бесперебой­ ная работа мелиоративных систем может быть обеспечена при повседневном уходе за сооружениями и своевременном исправле­ нии возникающих повреждений.

Проблема повышения надежности объектов гидромелиорации — одна из важнейших народнохозяйственных задач.

Расчет, проектирование и строительство различных гидроме­ лиоративных сооружений до настоящего, времени ведут без до­ статочного учета требований теории надежности. Видимо, это од­ на из основных причин их простоев, повреждений, аварий.

Вмелиорации повышение надежности сооружений приобретает огромное экономическое значение. Достаточно отметить, что ре­ монт и межремонтное обслуживание объектов гидромелиорации ежегодно обходятся в сотни миллионов рублей.

Внастоящее время еще значительны затраты на 1 м3/с воды, поданной на поле орошения. Часто они возрастают в связи с из­ лишними запасами, принимаемыми в расчетах различных эле­ ментов сооружений.

Надежность объекта представляет собой характеристику, ко­ торую невозможно измерить. Однако ее можно оценить на осно­ вании опыта эксплуатации данного или аналогичного объекта с помощью приемов теории надежности, используя методы матема­ тической статистики и теории вероятностей. Теория надежности — это новое направление науки, изучающей общие закономерности, которых следует придерживаться при проектировании, строитель­ стве, монтаже, испытании, приемке и эксплуатации объектов или

их элементов для получения максимальной эффективности.

В отечественной и зарубежной литературе по гидротехнике этим вопросам до настоящего времени уделялось недостаточное внимание. В данной работе сделана попытка в какой-то мере вос­ полнить пробелы в этой области и осветить некоторые важ’ные вопросы расчета, проектирования и эксплуатации объектов гид­

3.

ромелиорации с учетом критериев надежности. Конечная цель таких расчетов — выбор наиболее эффективных вариантов повы­ шения надежности гидромелиоративных объектов. Приемы реше­ ния разнообразных задач, приведенные в работе, позволят обес­ печить максимальную эффективность сооружений при заданных затратах или минимальные затраты при заданной эффективности.

Многогранность и сложность проблемы, а также ограничен­ ность объема затруднило всестороннее освещение предмета, ряд

Ш. Л. Бебиашвили, С. Ш. Зюбенко, В. А. Солнышкову, А. Ф. Агрест за' просмотр работы и ценные замечания.

Слово «надежность» люди употребляют в повседневной жизни, а также в общении с техникой. Используя это слово, мы говорим о надежности ис­ пользования тех или иных изделий, предметов, аппаратов, сооружений и т. д.

Надежность изделия, конструкции, сооружения и т. д. понятие неновое, Оно имеет давнюю историю. Но это понятие вновь родилось в конце первой половины XX в. при решении задач военной, радиоэлектронной и ракетной техники. Четко определить, когда началось исследование по надежности, до­ вольно трудно. Некоторые иностранные авторы первой работой по математи­ ческой теории надежности считают работу известного советского математика А. Я- Хинчина [125—127]. Некоторые авторы [81 время выделения теории на­ дежности в отдельную отрасль техники считают 1949 и 1950 гг. В эти годы аналитические методы статистического контроля качества, которые получили

чета надежности работы систем, содержащих большое число элементов. В пер­ вую очередь следует отметить работы В. И. Сифорова, В. Г. Бруевича, Б. Р. Левина, Г. В. Дружинина, П. Н. Сотского, Ш. Л. Бебиашвили, Д. Г. Половко и др.

Значительная роль в развитии теории надежности и применения вероятно­ стных методов для решения различных задач техники принадлежит Б. В. Гне­ денко [25, 26].

Основные понятия теории надежности приведены в работах [7, 8, 26, 33, 34, 43, 44, 55, 56, 58, 59, 62, 63, 88, 92, 94, 109, 110, 117, 122, 123, 130, 132, 133].

В них описывается применение теории надежности в основном для расчета радиоэлектронной аппаратуры. В справочном руководстве [1101 собраны дан­ ные по теории надежности и дана большая информация по использованию приемов и критериев теории надежности в различных областях техники, в ос-, новном радиоэлектронике. Хорошие примеры использования теории надежности для расчета задач, не связанных с радиоэлектроникой, можно найти у Хеви-

ленда [122].

Следует отметить, что в 60-х годах за рубежом были опубликованы ма­

4

Г л а в а I

ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИИ (ОТКАЗОВ)

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для разработки научно обоснованных методов повышения на­ дежности и долговечности различных сооружений необходим анализ отказов этих сооружений или их составных частей. Под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении рабо­ тоспособности того или иного элемента сооружений и т. д. Все от­ казы должны анализироваться согласно теории надежности для разработки обоснованных приемов их прогноза и для разработки мероприятий по предотвращению этих отказов.

На практике установить ответственность за отказ довольно сложно, так как проектировщики стремятся объяснить отказы плохой работой производства, а производственники — плохим про­ ектированием, неудачностью выбранной конструкции. 6 связи с этим важно знать, какие отказы встречаются наиболее часто на практике. Значительный объем данных об отказах обычно полу­ чают на основе лабораторных, полупроизводственных, опытно­ производственных испытаний. Наиболее ценны натурные данные, но получение их связано с определенными трудностями.

Орошение и осушение избыточно увлажненных земель требу­ ет строительства множества сооружений, проведения разнообраз­ ных мероприятий. Учитывая многообразие условий мелиоратив­ ного строительства, перечислить все встречающиеся в практике гидромелиорации сооружения и мероприятия невозможно. Основ­ ные среди них следующие:

водозаборные сооружения (плотинные и бесплотинные, водо­ заборы и др.);

водоподъемные плотины (водосливные, щитовые, временные

и др.); водохранилищные плотины (земляные, каменнонабросные, мас­

сивные, бетонные и каменные, арочные, железобетонные); шлюзы (шлюзы-регуляторы, подпорные шлюзы и др.); водопроводящие сооружения (трубы, лотки, акведуки, дюке­

ры); гидротехнические тоннели и др.;

затворы гидротехнических сооружений (плоские, колесные, кри­ волинейные, разборчатые и др.);

водохранилища;

6

138]. Размывы, заиление, зарастание каналов являются следст­ вием малых скоростей течения, просадки ложа каналов.

Сплошные продольные просадки образуются на новых кана­ лах, проходящих в грунтах с большой пористостью или подсти­ лаемых недостаточно уплотненными породами. Местные (частич­ ные) просадки ложа могут быть и в старых каналах, долгое вре­ мя стоящих без воды.

В результате работы землероев грунт после пуска воды са­ дится. Местные просадки могут быть также на участках, подсти­ лаемых породами, подверженными выщелачиванию (гипсоносные прослойки и др.). В этих случаях в грунте образуются пустоты, иногда значительных размеров, влекущие за собой образование в ложе канала воронок и провалов.

Деформация продольного профиля канала возможна вследст- . вие внезапных пропусков воды большими расходами, устройства на каналах временных подпоров без достаточного крепления ниж­ него бьефа и т. д. В этом случае вода по каналу движется вол­ нами, что приводит к общему размыву его дна.

В практике эксплуатации осушительных систем встречаются следующие основные случаи деформаций (повреждений, отказов): осадка торфа; разрушение откосов; размыв дна и откосов; заиле­ ние и засорение дна; зарастание дна, откосов и берм; разруше­ ние берм, кавальеров, воронок и устьевых частей каналов; раз­ рушение сооружений.

7

Деформации земляных дамб возникают в виде оползней, про­ садок, выпучивания грунта с низовой стороны дамб, разрушения крепления из-за просадок и прорывов дамб.

Просадка дамбы происходит в результате уплотнения тела со­ оружения или грунта под ним.

Выпучивание грунта с низовой стороны, как и образование за низовым откосом земляной дамбы подвижного состояния грунта, свидетельствует об аварии в основании сооружения, грозящей прорывом.

Разрушения креплений мокрых откосов дамб — результат вол­ нового воздействия.

Просадки считаются малой аварией земляных перемычек и дамб, однако при несвоевременной ликвидации они могут приве­ сти к серьезным повреждениям.

Разрушения полыми водами дна и откосов каналов, проходя­ щих в легкоразмываемых грунтах, обыкновенно сопровождаются заилением нижележащих участков и требуют как закрепления размываемых участков, так и очистки русла. Гораздо реже встре­ чаются деформации, вызываемые неправильными радиусами за­ круглений, но они также опасны и способны приостановить ра­ боту канала на долгое время.

Зарастание дна и откосов осушительных каналов самый рас­ пространенный вид деформации. При благоприятных условиях процесс зарастания может развиваться настолько быстро, что че­

плотинные водозаборы). В этих сооружениях наиболее часто встре­ чаются следующие повреждения (отказы): размыв нижнего бье­ фа, заиление верхнего бьефа приемных галерей, отклонение потока (отход потока) от узла, деформация отдельных элементов (особенно водоприемных и водоотводных галерей).

Неудовлетворительная работа многих построенных водозабор­ ных сооружений объясняется следующими причинами [30]:

при проектировании не уделяется должного внимания процес­ су формирования и проблеме регулирования русл и рек при водо­ заборе;

недооценивается принцип рациональной компоновки водоза­ борного узла; регулирование, энергии и структуры водного потока в районе водозабора должно осуществляться соответствующими очертаниями в плане подводящих русл рек, а также постоянными конструктивными элементами самого сооружения;

в борьбе с донными наносами и шугой недооценивается зна­ чение правильной эксплуатации головного узла;

головные узлы недостаточно оснащены механизмами; многие из них, построенные на реках с мгновенно формирующимися па­ водками, не электрифицированы и не автоматизированы;

8

до настоящего времени нет теоретически обоснованной и прак­ тически проверенной общепринятой методики проектирования, эксплуатации и лабораторных испытаний водозаборных узлов.

Бичом поливного земледелия является заболачивание и засо­ ление орошаемых земель. История знает много примеров того, как плодородные орошаемые земли в результате орошения забо­ лачивались, засолялись и превращались в негодные солончаки.

На практике нередко встречаются повреждения и на насосных станциях и в других водоподъемных установках, в отстойниках, в регулирующих устройствах, в закрытых и открытых осушитель­

Надежностью различных сооружений на практике человечество интере­ совалось давно, но несовершенная методика расчета, отсутствие фундамен­

чаев аварий и крушений. Приведем краткое описание некоторых *, чтобы по­

не оказалось: почти на всем своем протяжении она исчезла под водой. Подробное обследование показало, что вместе с наброской глубоко в грунт

погрузилась и набережная, сместившаяся в вертикальном и горизонтальном на­ правлениях. Грунт же около набережной сильно выпучился.

Основной причиной разрушений считают прежде всего пренебрежение тре­ бованиями заложения фундамента сооружения на необходимой глубине— на­ броска была сделана непосредственно на поверхности дна, без выемки слоев грунта, а это неминуемо должно было повлечь за собой выпирание грунта.

Следующая причина — сравнительно быстрая загрузка слабого грунта пол­ ным весом набережной. При недостаточной глубине заложения следовало сла­ бые грунты нагружать не сразу, а давать им возможность постепенно уплот­ ниться.

Таким образом, строительство Триестского порта и описанные выше неуда­ чи выявили важную роль устройства котлованов под каменные наброски, по­

ная с уплотненным ядром, предназначена для водоснабжения района [140]. Погибло 239 человек, убытки исчислялись крупной суммой. Существуют два мнения о причинах разрушения плотины. Одни считают причиной оползание грунта под основанием, другие склонны обвинять проектировщиков и строи­ телей, допустивших течи под плотиной, вызвавшие размыв.

* Большинство описаний аварий заимствовано из различных литературных источников.

9